燃料乙醇制备中稀酸预处理棉花秸秆条件优化

第35卷第1期太阳能学报Vol 352014年1月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAJan.,2014文章编号:02540096(2014)01002306燃料乙醇制备中稀酸预处理棉花秸秆条件优化王华,杜双奎!,杨伟华2,许红霞2,周大云2,李哲涛3(1.西北农林科技大学食品科学与工程学院,杨凌712102.中国农业科学院棉花研究所,棉花生物学国家重点实验室,安阳4550003.陕西师范大学物理学与信息技术学院,西安710062)摘要:为了高效利用棉花秸秆制备燃料乙醇,用稀酸法对棉花秸秆进行预处理。通过单因素试验和二次正交旋转组合设计分析,建立处理温度、时间、硫酸体积分数试验因素与木糖含量之间的回归模型,优化工艺条件。结果表明,回归模型高度显著R2=0.9251,模型具有预测意义。各试验因素影响主次顺序为硫酸体积分数、处理时间、处理温度,稀酸预处理棉花秸秆的优化条件为处理温度13.5℃、时间2.0h、硫酸体积分数3.5%,此条件下滤液中木糖浓度达6.865g/L。通过对处理前后棉花秸秆纤维结构的SEM图观察,表明稀酸预处理可有效打破木质纤维素的结晶结构,降低木质素的束缚作用。关键词:棉花秸秆;稀酸;木糖;二次正交旋转组合设计中图分类号:S216.2文献标识码:A0引言干、粉碎,过40目筛,备用。试验药品:浓硫酸(H2SO4)、氢氧化钠(NaOH)、目前国内外有关棉花秸秆制备燃料乙醇的预处苯酚(CH3OH)、酒石酸钾钠(C4OH2KNa)、无水亚理研究尚少。 I. Haykir通过对稀酸、碱浸提结合硫酸钠(Na2SO3)和3,5-二硝基水杨酸(CH4N2O),酶水解两种预处理方法的比较,确定漆酶和碱处理均为分析纯;木糖和葡萄糖,生化试剂。相结合的方法,使棉花秸秆溶出的葡萄糖产量达DNSI试剂:称取3,5-二硝基水杨酸3.25g溶于5.45%。文献[2]研究了在不同培养条件下白腐菌少量水中,移入500mL容量瓶,加2mo/L氢氧化钠预处理对棉花秸秆生产乙醇的影响,结果表明白腐溶液162.5mL,再加入丙三醇22.5g,摇匀,定容至菌预处理的棉花秸秆中木质素虽明显降解,但仍存500mL。贮存于棕色瓶放置7d后,用于滤液中总还在葡萄糖溶出量不高的问题。文献[3]利用微生物原糖含量的测定6。降解经汽爆处理棉花秸秆,使棉花秸秆糖化率最高DNS2试剂:称取3,5-二硝基水杨酸10g,置于约达58.60%,但发酵周期较长(6~9d)600mL水中,逐步加人NaOH10g,在50℃水浴中搅本文参考玉米秸秆、小麦秸秆”预处理方拌溶解,再加入酒石酸钾钠200g,苯酚2g和无水亚法,采用多因素二次正交旋转组合设计试验,以木糖硫酸钠5g,待全部溶解并澄清后,冷却至室温,定容含量为指标,对燃料乙醇制备中稀酸预处理棉花秸至1000mL。贮于棕色试剂瓶中,放置7d后,用于滤秆条件进行分析优化,以期为棉花秸秆预处理、生物液中木糖含量的测定。化、棉花秸秆综合利用提供理论依据和指导。1.2主要仪器设备1材料与方法HH-S型恒温油浴锅(北京科伟永兴仪器有限2 F); JSM-6360LV Scanning Electron Microscope1.1试验材料UV-1200型分光光度计(上海美谱达仪器有限公棉花秸秆来自中国农业科学院棉花研究所,风司);DH914中国煤化工箱(上海精宏收稿日期:2011-10-24CNMHG基金项目:国家棉花产业技术体系项目(CARS-18)通信作者:杜双奎(1972—),男,博士、副教授,主要从事农副产品资源开发与利用方面的研究。dushuangkuit@nwsuaf.edu.cn太阳能学报35卷实验设备有限公司)。表2因素水平编码Table 2 Level and code of variables1.3试验方法1.3.1棉花秸秆稀硫酸预处理编码变量自然变量Z称取粉碎后的棉花秸秆粉2.000g,按试验设计X的液固比(mlg)加入一定体积分数的稀硫酸搅拌上星号臂1.682802.54.5均匀,在试验设计的高温下处理一定时间,抽滤,收上水平12.13.7集滤液用蒸馏水将滤渣洗至中性并于60℃烘干至零水平01302.5恒重,称重,计算失重率。滤液用0.5m/L氢氧化下水平10.9钠溶液调节pH值至中性后用DNs法测定总还原下星号臂-1.6820.5糖、木糖含量。1)单因素试验验组合重复3次取其平均值作为结果试验结果采选取稀酸预处理温度80~180℃、处理时间用 Design-Expert7.0.0软件分析0.5-2.5h、硫酸体积分数0.5%-4.5%和液固比1.32棉花秸秆扫描电镜观察15:1-35:1为试验因素,分别研究在不同单因素条分别取少量的原秸秆粉和处理秸秆粉固定在扫件下预处理滤液中总还原糖、木糖含量及失重率的描电镜的样品台上并进行喷金处理。经短暂干燥变化规律。后,用扫描电子显微镜分别在500倍和2000倍下观2)二次正交旋转组合设计试验察并拍摄具有代表性的秸秆形貌。在单因素试验的基础上,确定液固比为25:1,2结果与分析选取预处理温度、时间硫酸体积分数为影响因素以滤液木糖浓度为响应指标,设计三因素五水平二2.1标准曲线次正交旋转组合试验,以优化稀酸预处理工艺条件准确称取0.l000g干燥的葡萄糖,用蒸馏水溶试验方案及结果见表1,因素水平编码见表2。各试解并定容至100mL,得到浓度为lmg/mL葡萄糖标表1试验方案及结果准溶液,分别取相应的标准溶液0、0.1、0.2、0.3Table 1 The experiment scheme and results0.40.5mL于10mL的具塞试管中,并用蒸馏水补试验号X1/℃X2/hx3/%木糖浓度Y/gL充至0.5mL,然后加人1.5 mL DNS1试剂,充分混匀后于沸水浴中加热煮沸5min。流水冷却后定容至2.32810mL,放置20min后,以0号管为空白对照,于23453.454111540nm下测各管的吸光度,绘制葡萄糖浓度-吸光度标准曲线(图1)6。木糖测定时参考还原糖测定程3.930序,仅需将葡萄糖标准试剂换为木糖标准试剂,5.7111.5 mL DNS1试剂换为1 mL DNS2试剂,最后滤液于6.246520mm下测定各管的吸光度,绘制木糖浓度吸光度5.656标准曲线(图2)。由图1、图2分别可看出,吸光1.298度与还原糖浓度、木糖浓度之间均具有极显著线性1.6825.636关系,标准曲线模型可用3.10906.61622单因素试验结果分析00-1.682.2.1稀酸处理温度对预处理的影响14固定液数3.5%,处理中国煤化05.5410.5h,不同预木糖含量及5.831棉秸秆失重率m变则图3以小。田图3可看出175.271随着预处理温度的升高,滤液中总还原糖、木糖含量1期王华等:燃料乙醇制备中稀酸预处理棉花秸秆条件优化1.2=3.00961x+0.0031温、强酸作用易使秸秆发生碳化,导致滤液中总还原1.0R2=0.9997糖、木糖含量有所下降。考虑到低能耗问题,选择稀0.8酸预处理温度为140℃。型0.62.2.2稀酸处理时间对预处理的影响固定液固比为20:1,硫酸体积分数3.5%,处理温度140℃,处理不同时间后棉花秸秆滤液中还原糖、木糖含量及失重率的变化如图4所示。4500000.050.100.150.200.250.300.35吸光度图1还原糖标准曲线7、8.035.0Fig. 1 Standard curve of reducing sugars30.0y=1.0007x+0.0222丧6.0←木糖1.0R2=0.9983总还原糖20.0失重率0.00.51.01.52.02.53.0时间h0.4图4处理时间对总还原糖、木糖含量及失重率的影响Fig. 4 Effects of reaction time on reducing sugars000200yield and weightlessness rate吸光度由图4可看出,随着处理时间的延长,滤液中总图2木糖标准曲线还原糖、木糖含量及失重率均呈先升高再降低的趋Fig. 2 Standard curve of xylose势。当处理时间小于2.0h时,随着时间的延长,秸35.0秆粉与酸液充分作用,两种糖含量不断升高,表明酸处理可有效降低秸秆中木质素对纤维素和半纤维素-她长的束缚,使更多的半纤维素水解为木糖。当处理时150戀间大于2.0h时,在高温下又会使木糖水解、脱水为总还原糖5-羟基糠醛,从而使中间产物(木糖)的含量降低。失重率10.0滤液中的还原糖以木糖为主,所以总还原糖含量也随之减少。由于1.5h和2.0h处理的滤液木糖含量0.06080100120140160180200没有显著差异,确定处理时间为1.5h。温度/℃2.2.3硫酸体积分数对预处理的影响图3处理温度对总还原糖、木糖含量及失重率的影响在液固比为20:1,处理温度140℃的条件下对Fig 3 Effects of reaction temperature on reducing sugars棉花秸秆处理1.5h,不同硫酸体积分数对滤液还原xylose yield and weightlessness rate糖、木糖含量及失重率的影响如图5。呈先升高再降低的趋势,总还原糖始终高于木糖。由图5看出,随着硫酸体积分数的增大,滤液中而失重率在温度低于140℃时,呈迅速升高的趋势,的总还原糖、木糖含量及失重率均呈上升趋势,在硫但当温度高于140℃后趋于平缓。这说明稀酸处理酸体积分数小于2.5%时,其滤液总还原糖、木糖含棉花秸秆主要将半纤维素水解为木糖,导致失重率量几乎呈线性增大。当硫酸体积分数大于2.5%变化。当温度低于140℃时滤液还原糖、木糖含量时,两种糖含V中国煤化工水解过程中不断升高,这可能是因为在较低温度下,随着温度的反应液中酸滩CNMHG用,使得水解升高反应体系的活化能升高,加速了反应进程,并抑的单糖进一步转化为5-羟基糠醛等反应抑制物,其制了一些副反应的发生;当温度高于140℃时,高中5-羟基糠醛的产生量会随酸浓度的增大成比例太阳能学报10.045.0行多元回归拟合,得到木糖浓度对处理温度(x1)8.0时间(X2),硫酸体积分数(X3)的二次多项式回归35.0模型:0o是y=5.54+013X+0.87x2+157-0.35x400.029X1X3-0.18X2X3-0.71X1妻←木糖总还原糖100失重率0.22X2-0.57X3215.0由表3回归模型方差分析表可看出,模型概率10.01.53.5P=0.0035<0.01,高度显著,失拟项P=0.0861>硫酸体积分数%0.05不显著,R2=0.9251,表明所建立的二次回归图5硫酸体积分数对总还原糖、木糖含量及失重率的影响模型成立,可用此模型来分析和预测稀酸预处理棉Fig 5 Effects of sulfuric acid volume fraction on reducing花秸秆工艺参数。由表4回归模型系数显著性检验sugars, xylose yield and weightlessness rate结果可知,一次项X2、X3对滤液木糖浓度的影响高增大,从而使木糖含量增长减慢③。由于硫酸体积度显著,一次项X1、二次项x、X对滤液木糖浓度分数3.5%与4.5%时的滤液糖含量没有显著差异,的影响显著,而X1、X2、x3的交互作用及X2对滤液从经济角度考虑选择硫酸体积分数3.5%为宜。中木糖浓度的影响不显著。去除不显著回归项,得2.2.4液固比对预处理的影响简化模型为Y=5.54+0.73X1+0.87X2+1.45X3-固定处理温度为140℃,硫酸体积分数35%,0.71x2-0.57X处理1.5h,不同液固比预处理下的滤液中总还原表3回归模型方差分析糖、木糖含量及失重率变化如图6所示。Table 3 Analysis of variance for regression model0.3338.6032木糖变异来源平方和自由度均方F值P值■总还原糖38.50.31口失重率模型54.8796.109.610.0035残差4.440.28失拟项4.2850.8610.910.08610.27纯误差0.16总和59.3137.9表4回归系数显著性检验135:1液固比Table 4 Significance test of regression coefficient图6液固比对总还原糖及木糖含量及失重率的影响变异来源平方和自由度均方F值P值显著性Fig 6 Effects on liquid-solid rate on reducing sugars7.1917.1911.340.0120ylose yield and weightlessness rateX210.26110.2616.180.0050**由图6可看出,随着硫酸_棉花秸秆液固比的增Xx28.8045.400.0003**大,滤液总还原糖、木糖含量及失重率均呈缓慢升高x1X21.001.001.570.2498的趋势。当液固比小于25:1时,由于秸秆粉不能完0.0069130.010.9198全浸润,反应不彻底,且容易碳化,所以总还原糖、木x1X30.006913糖含量较低。当液固比大于25:1时,滤液中糖含量及0.250.250.400.5496失重率变化趋于平稳,为了减少酸液损耗,选取液固比5.745.749.050.0197为25:1。X20.中国煤化工0.384323二次正交旋转组合设计试验结果分析CNMHGO0482.3.1数学模型的建立及检验注:*代表差异显著(P<0.05);**代表差异极显著(P<对二次正交旋转组合设计试验结果表2数据进0.01)1期王华等:燃料乙醇制备中稀酸预处理棉花秸秆条件优化编码回归系数绝对值决定了各因素的重要程显著效果的。度,X1、X2、X3回归系数绝对值分别为0.73、0.87、1.45,所以影响稀酸处理滤液中木糖浓度的主次因素依次为X3>k2>X1,即硫酸体积分数>处理时间>处理温度,本研究的主要影响因素与文献[9]的研究结论一致。2.3.2回归方程求解及验证通过对回归方程分析求解得优化工艺条件为:a.未处理秸秆b.处理后秸秆X1=0.12、K2=0.94、X3=0.84,即预处理温度图8棉花秸秆中纤维素结构的SEM图(×2000133.5℃、预处理时间2.0h、硫酸体积分数3.5%,预8 Scanning electron micrograph (SEM) of raw cotton stalk处理滤液中木糖浓度达6.865g/L。为验证模型的(a)and pretreated cotton stalk(b)at 2000 x magnification准确性和有效性,在此工艺条件下进行验证性试验,3次试验木糖的平均浓度为6.758g1,与理论预测3结论值无显著差异。1)稀酸预处理各因素对滤液中木糖含量有显2.4棉花秸秆结构的SEM观察著影响,影响主次顺序为硫酸体积分数、处理时间、利用扫描电镜对稀酸预处理前后秸秆中纤维素处理温度。稀酸预处理秸秆失重率变化与木糖含量结构进行观察结果如图7和图8所示。从图7a可变化趋势一致。SEM观察表明稀酸预处理可有效看出,未经稀酸处理的棉花秸秆表面粗糙且高度有打破纤维素的结晶结构,降低木质素的束缚作用,稀序,结构比较紧密、工整,纤维素束紧密的排列在一酸处理棉花秸秆效果明显。起,无定形的半纤维素镶嵌于其中。经过预处理后2)稀酸预处理棉花秸秆时滤液木糖浓度对各的棉花秸秆薄壁组织表面结构发生变化(图7b),原因素的回归模型为Y=5.54+0.73X1+0.87X2+纤维素整齐紧密的长链结构被打乱,切断骨架结1.45X3-0.71X12-0.57X32,R2=0.9251,模型高度构之间的填充物基本被水解掉,出现大量沟壑。这显著,拟合性好,可用于实际预测。说明通过稀酸预处理不仅能将大部分半纤维素水优化工艺条件为预处理温度133.5℃、时间解,而且也会破坏纤维素的结构,可增加纤维素酶与2.0h、硫酸体积分数3.5%,预处理滤液中木糖浓度纤维素的接触面积,有利于提高后续酶解效率。达6.865gL。[参考文献][1 Haykir I. A comparative study on lignocellulosepretreatments for bioethanol production from cotton stalk[J. New Biotechnology, 2009, 25 (1): S253-$254a.未处理秸秆b.处理后秸秆microbial pretreatment on enzymatic hydrolysis and图7棉花秸秆中纤维素结构的SEM图(×500)fermentation of cotton stalks for ethanol production[J]Fig 7 Scanning electron micrograph(SEM) of raw cotton stalkBiomass and Bioenergy, 2009, 33(4):88-96对棉花秸秆放大观察,未经稀酸预处理的棉花3]张琴,李艳宾,蒲云峰,等汽爆棉秆的微生物降解及发酵工艺优化[J].农业工程学报,2011,秸秆表面密实,仅有部分粉碎时机械造成的破损27(3):248-253(图8a),而稀酸预处理之后(图8b),棉花秸杆表面(3] Zhang Qin, Li Yanbu, Pu Yunfen,etl. Microbial程度破坏加大,密实程度下降,且出现了很多孔洞与中国煤化工 ton stalks and裂痕,这些孔洞的出现使纤维素酶能够进入纤维素CNMHGI. Transactions结构的内部,从而有利于充分酶解。通过SEM图片of the Chinese Society of Agricultural Engineering的比较,进一步证实了稀酸预处理对棉花秸秆是有2011,27(3):248253太阳能学报35卷[4]王娜娜,谢小莉,杨翔华,等.低温稀酸预处理玉[7] Zhan Hanhui, Huang Lilin. Optimization on acid米秸秆的研究[J].科学技术与工程,2011,11pretreatment conditions for rice straw in process ofl1):2607-2609lignocellulosic ethanol[ J]. Transactions of the CSaE[4 Wang Nana2011,27(2):293-297Research on the pretreatment of corn stalks by dilutacid at low temperature [J]. Science Technology andof H, S04- catalyzed hydrothermal pretreatment of rapeseedEngineering,201l,11(11):2607-2609straw for bioconversion to ethanol: Fo[5 Saha B C, Cotta M A. Ethanol production from alkalinepretreatment at high solids content[J].Bioresourceperoxide pretreated enzymatically saccharified wheatTechnology,2009,100(12):3048-3053staw[J]. Biotechnology Progress,2006,22(2):[9]张琴,李艳宾,曹亚龙·棉秆稀酸水解及微生物449453共发酵生产单细胞蛋白工艺优化研究[J].食品科[6]赵凯,许鹏举,谷广烨.3,5-二硝基水杨酸比色学,2011,32(5):192-197法测定还原糖含量的研究[J].食品科学,2008,[9] Zhang Qin, Li Yanbin, Cao Yalong. Acid hydrolysis29(8):534-536of cotton stalks and single cell protein production by[6 Zhao Kai, Xue Pengju, Gu Guangye. Study onmicrobial co-fermentation[J]. Food Science, 2011determination of reducing sugar content using32(5):192-1973, 5-dinitrosalicylic acid method[J]. Food Science, [10] Kim T H, Lee Y Y. Pretreatment of corn stover by2008,29(8):534-536soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures[7]湛含辉,黄丽霖.纤维乙醇工艺中酸处理秸秆反应[J. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2007条件的优化[冂].农业工程学报,2011,27(2):137(2):81-92293-297OPTIMIZATION ON DILUTE ACID PRETREATMENT CONDITIONSFOR COTTON STALKS IN PROCESS OF FUEL ETHANOLWang Hua, Du Shuangkui', Yang Weihua, Xu Hongxia, Zhou Dayun", Li Zhetao(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China2. Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences, State Key Laboratory of Cotton Biology, Anyang 455000,China;3. College of Physics and Institute of Information Technology, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China)Abstract: In order to prepare fuel ethanol efficiently with cotton stalks, the pretreatment method with dilute acidwas proposed. The treatment conditions were optimized with single factor experiment and quadratic rotationorthogonal composite design. The orthogonal design was set up, which was fit to the linear between factors andxylose yield and the treatment conditions were optimized. The results showed that the regression model is highlysignificant(R=0.9251),and has forecast significance. The order of the factors was as follows: sulfuric acidvolume fraction> time >reaction temperature. The optimal pretreatment conditions were determined: reactiontemperature 133 5C, time 2. Oh, sulfuric acid volume fraction 3. 5%, and the xylose yield was 6. 865g/L Throughthe observation of SEM images of before and after processing, the results showed that dilute acid pretreatment canbreak the crystalline structure of cellulose efficiently and reduce the bonda中国煤化工Keywords: cotton stalks; dilute acid; xylose; quadratic rotation-orthogonCNMHG